Thermische Gezeiten als grundlegender Kopplungsprozess in der AtmosphäreBeteiligte am IAP: N. Grieger, U. Achatz, G. Schmitz und B. WeckePartner: H. Schmidt (ZMAW, Hamburg)

Ergebnisse• Ausbreitungsbedingungen (WIND) bestimmen Jahresgang ganz- und halbtägiger Gezeit (s = 1, 2)• Anregung (FORCING) wichtig für 8-h Gezeit (s = 3) und nichtmigrierende Komponenten • Planetare Wellen beeinflussen nichtmigrierende Gezeiten• troposphärische Gezeitenanregung (TRO) bestimmt Struktur der ganztägigen Gezeit (s = 1)• Interferenz zwischen statosphärischer und troposphärischer Anregung (STR, TRO) steuert migrierende ganz- und halbtägige Gezeit (s = 1, 2)• Kondensation und Konvektion (CON) wesentlich für Kopplung zwischen Tropo- und Mesosphäre

Struktur und Anregung der Gezeitenkomponenten

Amplituden (C), Jan., s = 1, 2, 3 (DW1, SW2, TW3) im meridionalen Wind v [m/s], migrierende Gezeit (oben) - Wellenlängen:27 km, s = 1, 20 N/S, 52 km, s = 2, 50 N/Sund (unten) totale Erwärmungs- raten in 60 W für s = 1, 2, 3 (DT, SDT, TDT) [K/d], Schichteneinteilung

(Klammerwerte bezeichnen Schrittweiten der Isolinien)

DW1 SW2 TW3

TH

MA

STR

TRO/CON

DT SDT TDT

(2) (2) (1)

(5) (5) (1)

(20) (20) (10)

(.5) (.5) (.25)

LATITUDE [DEG] (90S – 90N)

(0 –

120

)

A

LT

ITU

DE

[K

M]

(60

– 12

0)

Jahresgang der Gezeiten: Ausbreitung / Anregung / planetare Wellen

Jahresgang der Amplituden der migrierenden und einer nichtmigrierenden Gezeitenkomponente fürs = 1,2,3 (DW1, SW2, TW3 und DW2, SW1) im meridionalen Wind v [m/s] für 97,6 km und 108,6 km, Fälle: WIND (Anregung konstant), FORCING (ALL-WIND) sowie WAVES (ALL-WIND(zonal)) und relatives Amplitudenintegral (spezieller Fall / ALL, unten) [%]: migrierende Komponente - dunkel, nichtmigrierende - hell

• Jahresgang charakterisiert durch halbjährige (SAO) und ganzjährige Schwingung (AO) s = 1: SAO maximal im Frühjahr, Herbst in tiefen Breiten s = 2: SAO maximal im Sommer, Winter in hohen Breiten• SAO bestimmt durch Ausbreitung (WIND) (wesentlich: Krümmungsterm)

DT SDT TDT

0 100 0 100 0 100

RELATIVE IMPORTANCE [%]

FORCING

WIND

WAVES• AO abhängig von Ausbreitung (Vorticity Term) und Anregung• Anregung (FORCING) beeinflusst Jahresgang stärker mit zunehmendem s• planetare Wellen (WAVES) wesentlich für die nichtmigrierenden Komponenten

ALL

FORCING

WIND

WAVES

TW3 108.6 SW2 97.6 SW1 97.6 DW1 97.6 DW2 97.6

(5)

(5)

(5)

(2)

(5)

(5)

(5)

(1)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(1)

(1)

(1)

(.1)

TIME [MONTH]

LA

TIT

UD

E [

DE

G]

(75S

– 7

5N)

Jahresgang der Amplituden für die im Bild totale Erwärmungsraten definierten Anregungsbereiche bei gleichen Ausbreitungsbedingungen. ALL, TH, MA und STR: vollständige, thermosphärische, Anregung in der mittleren Atmosphäre und stratosphärische Anregung. TRO: solare Heizung in der Troposphäre ohne groß- räumige Kondensation und Konvektion (CON) und relatives Amplitudenintegral (siehe oben), positive (negative) Koppelung: grob (fein) punktiert

Vertikale Schichtenkopplung durch Gezeiten

TH

MA

STR

TRO

CON

DT SDT TDT

0 100 0 100 200 0 100

RELATIVE IMPORTANCE [%]

FO

RC

ING

LE

VE

L

• CON beeinflusst nichtmigrierende Komponente s = 1,2,3 und migrierende Komponente s = 1,2• TH und MA mit geringem Einfluss auf Gezeiten in MLT• starke Interferenz TRO (-) / STR (+) für s = 2, 3• Interferenz TRO (+) / STR (-) für s = 1

• Vertikale Kopplung: Tropo- / Stratosphäre – MLT ganztägige Gezeit, s = 1, wesentliche Anregung in TRO halbtägige Gezeit, s = 2, wesentliche Anregung in TRO und STR 8-stündige Gezeit, s = 3, wesentliche Anregung in STR

TIME [MONTH]

LA

TIT

UD

E [

DE

G]

(75S

– 7

5N)

ALL

TH

MA

STR

TRO

CON

SW2 97.6 SW1 97.6 TW3 108.6 DW1 97.6 DW2 97.6

(1)

(5)

(5)

(5)

(5)

(5)

(1)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(.2)

(.5)

(2)

(2)

(2)

(2)

(1)

(.5)

(1)

(1)

(1)

(1)

(1)

(1)

(5)

(5)

(5)

(1)

Veröffentlichungen

Achatz, U., N. Grieger and H. Schmidt, 2007: Mechanisms controlling the diurnal solar tide: analysis using a GCM and a linear model. J. Geophys. Res., (in Vorbereitung)Grieger, N., G. Schmitz and U. Achatz, 2004: The dependence of the nonmigrating diurnal tide in the mesosphere and lower thermosphere on stationary planetary waves. J. Atmospheric and Solar-terrestial Physics, 66, 733-754, doi:10.1016/j.jastp.2004.01.022Grieger, N., E. V. Volodin, G. Schmitz, P. Hoffmann, A. H. Manson, D. C. Fritts, K. Igarashi and W. Singer, 2002: General circulation model results on migrating and nonmigrating tides in the mesosphere and lower thermosphere. Part I: comparison with observations. J. Atmospheric and Solar-terrestial Physics, 64, 897-911Schmidt, H., G. P. Brasseur, M. Charron, E. Manzini, M. A. Giorgetta, V. Formichev, D. Kinnison, D. Marsh and S. Walters, 2006: The HAMMONIA Chemistry Climate Model: Sensitivity of the mesopause region to the 11-year solar cycle and CO2-doubling. J. Climate, 19, 3903-3931

Einleitung und Motivation

Motivation: • Klimasimulationen: Modelle mit hoher vertikaler Auflösung und hohem oberen Rand - quasi-zweijährige Oszillation (QBO), Vermeidung Reflexion planetarer Wellen, - Schließung der Zonalwind-Strahlströme in der Mesosphäre (Zirkulationsumkehr) infolge Gezeiten- und Schwerewellen-Impulsdeposition - globale Gezeitenausbreitung kann direkt (linear) beschrieben werden, Einfluss von Schwerewellen (kleinskalige) im wesentlichen durch Parametrisierung erfasst

• Anregung thermischer Gezeiten (24-, 12-, 8-stündige Komponente) durch solare Einstrahlung und thermische Umwandlungsprozesse in der feuchten Atmosphäre,• Ausbreitung mit zunehmender Amplitude bis in die Thermosphäre, dort Brechung und Impulsdeposition• ganztägige Gezeiten in Zirkulationsmodellen (GCM) und in linearem Modell LIN-KMCM vergleichbar mit Beobachtungen, Achatz et al. (2007)

Fragen: welche Prozesse bestimmen die jahreszeitliche Variation der 24-, 12-, 8-h Gezeit und 2. in welchem Maße sind (tiefe) atmosphärische Schichten über Gezeiten bis in die Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT) gekoppelt?

Methode: lineare Gezeitenausbreitung in längenabhängigem Hintergrund, Modell: LIN-KMCM, Grieger et al. (2004), monatsgemittelte Anregung und u-, v-, T-Felder aus GCM HAMMONIA, Schmidt et al. (2004)

,)2cos( snnstsnAsnX .2sin2cos stsnSstsnCsnX Definitionen

X steht für u, v, T (hier nur v) mit Amplituden A (C, S), Phase ,t Zeit [d], geografische Länge, n zonale Wellenzahl, s Periode (1: 24 h, 2: 12 h, 3: 8 h), n = s migrierende, n s nichtmigrierende Komponente